传输原理(第一讲).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,宗燕兵,*,传输原理,主讲：王华,2,为什么把“三传”放在一起讲,“,三传”具有共同的物理本质,都是物理过程,动量传输：垂直于流线方向，由高速度区向低,速度区转移；,热量传输：高温区向低温区（平行于传递方向）；,质量传输：高浓度区向低浓度区（平行于传递方向）。,“,三传”具有类似的表述方程和定律。,牛顿粘性定律,傅里叶定律,菲克定律,A,为组分,A,在,B,中的质量浓度,各量的传递方向均与其“浓度”方向相反,传输过程研究方法,1,理论研究：建立物理模型 建立数学模型 求解,2,实验研究,3,有限元分析及仿真模拟,6,学习冶金传输原理有两个最基本的目的：,第一,理解各种传输现象的机理，及相应数学模型建立方法；,第二 为将来所要研究的相关成型过程提供基础数学模型，以此为基础，可以对成型过程进行模拟研究，加速研发过程，降低研发成本。,7,第一章流体的性质,1.1,流体的定义和特征,1.2,流体作为连续介质的假设,1.3,作用在流体上的力 表面力 质量力,1.4,流体的密度,1.5,流体的压缩性和膨胀性,1.6,流体的粘性,1.7,粘性动量通量,8,1.1,流体的定义和特征,自然界物质存在的主要形态：,固态、液态和气态,一、流体的定义,具有,流动性,的物体（即能够流动的物体）,。,流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。,流体包括液体和气体,C,D,B,A,d,b,a,dy,dudt,A,B,F,F,9,1.1,流体的定义和特征,一、流体的定义,液体与气体的区别,液体的流动性小于气体；,液体具有一定的体积，并取容器的形状；,气体充满任何容器，而无一定体积,。,二、流体的特征,流动性,10,1.2,流体的连续介质假设,微观：,流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。,宏观：,一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子,距离大得多。,问题的引出：,11,1.2,流体的连续介质假设,定义：不考虑流体分子间的间隙，把,流体视为由无,数连续分布的,流体微团,组成的连续介质。,流体,微团,必须具备的两个条件：,必须包含足够多的分子；,体积必须很小。,一、流体的,连续介质假设,流体微团又叫流体质点。,12,选择,按连续介质的概念，流体质点是指（）,A,流体的分子；,B,流体内的固体颗粒；,C,几何的点；,D,几何尺寸同流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体。,13,1.2,流体的连续介质假设,避免了流体分子运动的复杂性,，只需研究流体的宏,观运动。,2.,可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。,二、,采用,流体,连续介质假设的优点,（满足微积分上连续性的需要，可求极限。）,14,1.3,作用在流体上的力,两类作用在流体上的力：,表面力和质量力,一、表面力,1.,应力：单位面积上的表面力。,分离体（研究对象，如流体质点或流体微团）以外的流体或物体通过,分离体的表面作用在其上的力，,大小与作用面积成比例。,15,1.3,作用在流体上的力,一、表面力,2.,法向,应力和切向应力,例如：摩擦力（切向应力）、压强（法向应力）,单位,:Pa,16,1.3,作用在流体上的力,二、质量力,作用在每个流体微团上的力，,大小与流体质量成正比。,例如：重力、电磁力、惯性力,静止液体所受的质量力：,X=0,，,Y=0,，,Z=-mg,17,1.4,流体的密度,一、流体的密度,单位体积流体所具有的质量。,单位：,kg/m,3,常见流体的密度：,水,1.0,10,3,kg/m,3,（,4,度,）,空气,1.293,kg/m,3,水银,13.6,10,3,kg/m,3,均匀流体：,流体重度：,单位,：,N/m,3,18,1.4,流体的密度,二、流体的相对密度,(,比重）,流体的密度与,4,o,C,时水的密度的比值。,式中，,f,流体的密度（,kg/m,3,）,w,4,o,C,时水的密度,（,kg/m,3,）,19,1.4,流体的密度,三、流体的比容,单位质量的流体所占有的体积，是流体密度的倒数。,单位：,m,3,/,kg,20,一、流体的压缩性,流体体积随着压力的增大而缩小的性质。,1.,压缩系数,单位压力增加所引起的体积,相对变化量,1.5,流体的压缩性和膨胀性,注意单位！,21,1.5,流体的压缩性和膨胀性,二、流体的膨胀性,流体体积随着温度的增大而增大的性质。,1.,体胀系数,单位温度增加所引起的体积,相对变化量,注意单位！,22,三、可压缩性流体和不可压缩性流体,可压缩流体和不可压缩流体,可压缩流体：考虑可压缩性的流体,不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体,1.5,流体的压缩性和膨胀性,23,1.6,流体的粘性,一、流体的粘性,1.,粘性的定义,流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。,(1),库仑实验,(1784),库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。,C,D,B,A,d,b,a,dy,dudt,F,法国物理学家,(1736-1806),24,1.6,流体的粘性,一、流体的粘性,(,续,),1,.,粘性的定义,(,续,),(2),流体粘性表现在：,流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性力，由此在流体中产生速度梯度；,流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零（无滑移边界条件）。,25,1.6,流体的粘性,一、流体的粘性,(,续,),2.,牛顿内摩擦定律（或粘性定律）,(1),牛顿平板实验,板受到的摩擦力近似为“每层”流体间的,内摩擦力,。,现象：自上而下一层带动一层，,运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动，,运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层，,说明层间存在有摩擦力。,当,h,和,U,不是很大时，,因为该力存在于流体内部，故称为,内摩擦力,。,26,当,h,和,U,不是很大时,，两平板间沿,y,方向的,流速,呈线性分布，,板受到的摩擦力近似为“每层”流体间的内摩擦力,F,。,当,h,和,U,不是很大时，,27,1.6,流体的粘性,一、流体的粘性,(,续,),2.,牛顿内摩擦定律,(,或粘性定律,)(,续,),实验表明，对于,大多数,流体，存在内摩擦力,引入比例系数,，得：,粘性剪切应力,A,为两个流体层接触面的面积。,N/m,2,28,1.6,流体的粘性,一、流体的粘性,(,续,),2.,牛顿内摩擦定律,(,续,),(2),牛顿内摩擦定律,(,续,),说明：粘性切应力与速度梯度成正比；,(2),比例系数称,动力粘度,，简称粘度。,牛顿内摩擦定律：流动产生的内摩擦切应力,与接触面法线方向的,速度梯度成正比。,29,1.6,流体的粘性,一、流体的粘性,(,续,),流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。,(1),动力粘度,(2),运动粘度,3.,粘度,(,动量扩散系数）,注意单位会换算,30,1.6,流体的粘性,一、流体的粘性,(,续,),3.,粘度（续）,(3),粘度的影响因素,温度,对流体粘度的影响很大,温度,压力,对流体粘度的影响不大，一般忽略不计,液体：,分子,内聚力是产生粘度的主要因素。,温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度,气体：,分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。,温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度,当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大,31,若某流体的动力粘度,粘性切应力,则该流体的流速梯度,(),32,1.6,流体的粘性,二、粘性流体和理想流体,1.,粘性流体,具有粘性的流体（,0,）。实际流体都是粘性流体。,2.,理想,流体,忽略粘性的流体（,=,0,）。一种理想的流体模型。,举例,：,（,1,）,静止流体；,（,2,）惯性力和粘性力相比很大时，可以忽略粘性的存在，,认为是理想流体，简化计算。,33,1.6,流体的粘性,三、牛顿流体和非牛顿流体,1.,牛顿,流体,2.,非牛顿,流体,符合牛顿内摩擦定律的流体。,如水、空气、汽油和水银等,不符合牛顿内摩擦定律的流体。,如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。,34,1.7,粘性动量通量,单位,：,单位时间通过单位面积的,动量,，称为,动量通量,。,粘性切应力,动量通量,谢谢！,